Hemen hemen herkes, gevrek, serin bir sonbahar gününde görüntülenen güzel mavi gökyüzüne hayran kalır. 1500 gibi erken bir tarihte, Leonardo da Vinci gökyüzünün rengini açıklamaya çalıştı. Defterleri, odun dumanından geçen güneş ışığını izlediğini gösteriyor, bu da ışığın saçılmasının temel fenomenini anladığını gösteriyor. Mavi gökyüzünün tam fiziksel açıklaması, uzunluk sınırlamaları nedeniyle karmaşık olsa da, birincil mekanizmaya odaklanacağız.
1870’lerde İngiliz bilim adamı Lord Rayleigh, açıklamanın bir kısmına ağırlık verdi. Ama onun mantığını anlamak için ışığı nasıl algıladığımızla ilgili iki şeyi bilmemiz gerekiyor. İlk olarak, kısa dalgalı menekşeden mavi, yeşil, sarı, turuncu ve uzun dalgalı kırmızıya kadar görünür güneş ışığının tüm renkleri Güneş tarafından yayılır, ancak eşit miktarlarda değildir. Görünür spektrumdaki baskın renk mavidir. İkincisi, gözlerimiz yeşil ışığı diğer renklerden daha iyi algılar ve mavi ışığı oldukça iyi algılar. Görünür ışığın tüm renkleri birbirine karıştığında bize beyaz görünür.
Sakin bir göletin yüzeyinde duran bir mantar düşünün. Daha sonra gölete bir taş atılır ve mantarın yukarı ve aşağı hareket etmesine neden olan dalgalar gönderilir. Mantar dalga enerjisini alır ve ardından yukarı ve aşağı salınım yapar ve benzer şekilde ışık dalgaları hava molekülleri ile etkileşime girebilir. Bununla birlikte, hava parçacıkları, üzerlerine düşen ışık dalgalarından gelen enerjiyi tutmazlar, ancak bu ışık enerjisini rastgele yönlerde hızla yeniden yayarlar. Bu nedenle, belirli bir yönden gelen ilk ışık şimdi her yöne saçılır (yeniden yayılır).
Bu saçılma, parçacık veya molekül boyutuna ve gelen ışığın dalga boyuna bağlıdır. Saçılma, dalga boyunun dördüncü güce bölünmesiyle orantılıdır. Uzun güneş ışığı dalgaları (kırmızı), atmosferimizdeki küçük hava parçacıkları tarafından daha kısa olanlardan (mavi) daha az etkili bir şekilde dağılır. Kırmızı ışık, mavi ışıktan (400 nm) yaklaşık 1,7 kat daha büyük bir dalga boyuna (700 nm) sahip olduğundan, Rayleigh’in bulguları, mavi ışığın kırmızı ışığa göre yaklaşık 9 kat daha fazla saçılma şansına sahip olduğunu göstermektedir. Bu saçılan mavi ışık, gün boyunca atmosferde her yöne yayılır ve gökyüzünden bize gelir.
Bununla birlikte, güneş ufka yakın olduğunda, güneş ışığı, tepedeyken olduğundan daha kalın bir atmosfer miktarından geçmelidir. Işık atmosferde daha uzun mesafe kat ettikçe, mavi ışığın çoğu dağılır ve kalan ışık orantılı olarak daha fazla turuncu olur, bu da genellikle görmekten mutluluk duyduğumuz güzel gün doğumu ve gün batımına yol açar. Ancak bu saçılma etkileri sabit değildir. Lord Rayleigh’in açıklaması su buharının, toz parçacıklarının, ozonun, kimyasal kirleticilerin ve göz tepkisinin etkisini görmezden geliyor. Tüm bu mekanizmalar, gün doğumunun veya gün batımının güzelliğini veya rengini iyileştirebilir veya azaltabilir.
Uzayda veya Ay’da ışığı dağıtacak bir atmosfer yoktur. Güneşten gelen ışık düz bir çizgide dağılmadan yol alır ve tüm renkler bir arada kalır. Güneşe baktığımızda parlak beyaz bir ışık görürüz, uzağa baktığımızda ise sadece boş uzayın karanlığını görürüz. Uzayda ışığı gözümüze dağıtacak veya yeniden yayacak hiçbir şey olmadığı için, ışığın hiçbir kısmını görmüyoruz ve gökyüzü siyah gibi görünüyor.